Может ли темная энергия «питаться» темной материей? Как этот процесс меняет форму гало галактик

Почему Вселенная не сходится: темная материя и энергия нарушают свои законы

Космология в кризисе. Это не громкий заголовок, а реальность последних лет. Мы привыкли к Стандартной модели ΛCDM. Она работала десятилетиями. Но сегодня точные измерения показывают — данные расходятся. Главная головная боль — напряжение Хаббла. Ранние измерения (реликтовое излучение) и поздние (сверхновые) дают разную скорость расширения. Цифры не сходятся. Либо наши приборы ошибаются, либо мы чего-то не понимаем в гравитации.

В чем проблема?

Классическая модель считает темную энергию неизменной константой. Темная материя просто висит гравитационными сгустками. Они живут параллельно, влияют друг на друга только через расширение пространства. Но это описание перестало работать. Расхождения слишком велики. Физики предлагают радикальную идею: а что, если темная материя и темная энергия обмениваются массой?

Новое решение: темная материя и энергия обмениваются массой

Модель взаимодействующей темной энергии (Interacting Dark Energy, IDE) допускает прямой обмен энергией и импульсом между двумя компонентами. Команда астрофизиков из ETH Zurich и Китайской академии наук смоделировала два сценария:

• IDE I: Темная материя распадается, превращаясь в темную энергию. Масса частиц со временем уменьшается.
• IDE II: Темная энергия переходит в темную материю. Масса частиц растет, гравитация усиливается.

Разница заметна только на поздних стадиях жизни Вселенной (при красном смещении z < 4). Но именно в эту эпоху мы пытаемся измерить расширение.

Теперь понятно, что ориентация гало темной материи — не просто деталь. Она становится ключом к тому, какая модель верна.

Как гравитация меняет форму невидимого?

Напрямую этот обмен не увидеть. Но ученые построили симуляцию N-тел на коде ME-GADGET. Они создали виртуальную Вселенную и следят за гало — гигантскими сгустками невидимой массы, в которых прячутся галактики. Исследователи измерили, как гало поворачиваются относительно приливного поля — градиента гравитации, который тянет их форму.

В модели IDE I (распад) гало теряют массу. Они становятся рыхлыми. Внешнее поле легко их деформирует — форма вытягивается вдоль линий поля, а вращение (спин) стремится быть перпендикулярным. В модели IDE II (наращивание) гало плотные. Они сопротивляются внешним силам, их форма почти не меняется.

Личное наблюдение. Недавно я заметил, что даже среди коллег-физиков редко обсуждают, как ориентация гало влияет на данные слабого линзирования. А ведь это основа для будущих карт Вселенной.

Почему это важно для будущих телескопов?

Астрономы изучают структуру Вселенной через слабое гравитационное линзирование. Свет далеких галактик искажается гравитацией массивных объектов. Будущие телескопы (например, китайский CSST) будут делать снимки с точностью до долей процента. Но есть систематическая ошибка — собственное выравнивание галактик. Галактики физически поворачиваются под действием гравитации окружения. Если мы не учтем это, мы примем физический поворот за эффект линзирования.

Без учета модели IDE данные телескопов могут дать неверную карту расширения Вселенной. Мы получим бессмысленный набор цифр вместо ответа на вопрос, почему Хаббл не сходится.

Исследование вывело новые математические функции, описывающие выравнивание гало в каждом сценарии. Если материя распадается — сигнал выравнивания усиливается. Если материя прибывает — сигнал ослабевает. Теперь у нас есть способ отличить одну модель от другой, когда придут реальные данные с орбиты.

Резюме от автора. Модель IDE — элегантное объяснение, но пока гипотеза. Она предсказывает измеримые эффекты. Ближайшие годы покажут, кто прав. Если гало ведут себя как в сценарии распада, напряжение Хаббла исчезнет. Если нет — придется искать новые идеи. В любом случае, космология стала только интереснее.